EP0854004A1 - Verfahren zum Herstellen von Dichtflächen an komplementären Formwerkzeugen - Google Patents

Verfahren zum Herstellen von Dichtflächen an komplementären Formwerkzeugen Download PDF

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EP0854004A1
EP0854004A1 EP98103286A EP98103286A EP0854004A1 EP 0854004 A1 EP0854004 A1 EP 0854004A1 EP 98103286 A EP98103286 A EP 98103286A EP 98103286 A EP98103286 A EP 98103286A EP 0854004 A1 EP0854004 A1 EP 0854004A1
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partial sealing
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laser
measuring device
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    • G05B2219/50071—Store actual surface in memory before machining, compare with reference surface

Definitions

  • the present invention relates to a method and a Device for processing, in particular for polishing and Structuring of any 3D shape surfaces or free-form surfaces using a laser and applying this Process for the production of complementary sealing surfaces on complementary molds.
  • DE-OS-42 17 530, DE-OS-39 22 377, EP-A-0 419 999 and US-A-4,825,035 are methods and devices for hardening highly stressed metallic Surfaces such as B. piston treads known.
  • DE-OS 41 06 008 is an automatic welding robot known, where the quality of the welds online via optical monitoring of the weld seams or the Welding spatter is monitored.
  • DE-OS-37 11 470 describes a method for manufacturing a three-dimensional model known from a Variety of disks is composed which the Have model contours and made of plate material material-removing processing made by laser will. This will last at a certain point Material removed until the TARGET value is reached.
  • DE-OS-42 19 809 describes a method and a device for the controlled removal of layers of known a surface by means of laser. To control to simplify or regulate the deduction, that successively machined partial areas always have a constant area.
  • the jet or Laser processing methods and devices have the Disadvantage that only known in advance essentially Shapes can be edited with it. An industrial one Use and editing of any, complicated 3D shaped surfaces are not possible.
  • JP-A-63101092 is a processing device known from 3D shaped surfaces in which the to be machined Area is measured immediately before processing. Based on the measurement data and the desired shape suitable processing parameters are calculated and converted into a appropriate material processing implemented.
  • the complementary Partial sealing surface pairs processed only one half and the updated actual form determined after processing is used as the TARGET form for the second half of the Partial sealing surface pairs used. This eliminates errors or Deviations in the first half of the partial sealing surface pairs of the TARGET shape when machining the second half the partial sealing surface pairs balanced or neutralized.
  • the complementary partial sealing surfaces at a constant distance between the complementary partial sealing surfaces. This means that two can be created with just one set of target data Machining adjacent, complementary sealing surfaces or produce.
  • the laser in the Areas with a flat rise are operated as there are minor Fluence fluctuations hardly affect the material removal impact so that there are smooth, even surfaces surrender.
  • the present application is a divisional application to EP 96909025.7 (parent registration).
  • the one in the parent application Device for laser polishing is suitable especially for the implementation of the invention Procedure.
  • the exemplary device shown in FIG Implementation of the present invention comprises Laser device 2 consisting of a laser head 3 and a laser beam generating device 4 with associated Control device 6, through which processing parameters, such as B. pulse frequency, pulse duration, degree of focus, Adjust feed, etc. of the working or laser beam 5 and let it be controlled.
  • the Laser beam generating device 4 is via a light guide cable 7 connected to the laser head 3.
  • the laser head 3 is attached to a laser head mount 8, which is part of a XYZ positioning device 10.
  • the laser head 3 comprises also an imaging optics or focusing device 12, through which the laser beam 5 emerging from the laser head 3 on the surface of a workpiece 14 to be machined is focused. In this way, the laser head 3 and thus the laser beam 5 emerging from the laser head 3 move in all three spatial directions X, Y and Z and position.
  • Measuring sensors 16 are also connected to the laser head 3, by means of which the contour of the surface of the machining workpiece 14, for example by triangulation, immediately before scanning the laser beam 5 and immediately after painting the Laser beam 5 can be determined. This way it becomes immediate the result of the editing during editing checked with the laser beam 5 and the number of The laser beam 5 can sweep over the 3D shaped surface optimized according to the desired work result will.
  • the entire system is controlled by the control device 6, through which both the laser device 2, consisting of laser head 3 and laser beam generating device 4, as well as the positioning device 10 and Measuring sensors 16 are controlled and regulated.
  • the control device 6 forms a together with the measuring sensors 16 2D or 3D contour measuring device 18.
  • At the control device 6 is, for example, a microcomputer with a mass storage device. In these Storage device can, for example, CNC data of the machining workpiece 14 are stored. With the Contour measuring device 18 can thus the target-actual deviation be recorded and the number of processing steps and the same applies to the laser beam characteristics can be set.
  • FIG. 3 shows a schematic illustration of that in FIG. 1 shown device with the laser beam generating device 4, the control device 6 and the imaging optics 12 from which the laser beam 5 emerges and on the surface of the workpiece 14 to be machined occurs, which is shown as contour line 20 (actual shape).
  • the contour measuring device 18 is here in the imaging optics 12 integrated and the working beam 5 is simultaneously as Measuring beam used for the contour measuring device 18.
  • the control device 6 can not be closer by means Actuators shown the distance between Imaging optics 12 and the workpiece surface 20 vary, which is indicated by a double arrow 24.
  • Actuators are also the feed with respect to the workpiece 14 causes and controls. This is by an arrow 26 shown.
  • the No transition from the current form 20 to the target form 22 necessarily with a single sweep of the Laser beam 5 reached. In the one already painted Area 28 is still a discrepancy between TARGET and Can be seen.
  • Fig. 4 shows a flow chart for explaining essential Sub-steps of the inventive method with which Surface of a workpiece 14 from the actual shape in the SHOULD form is transferred.
  • a step S1 is first the desired TARGET shape in a reference coordinate system fixed.
  • the TARGET shape can be, for example, in the form of CNC or CAD data are available.
  • a step S2 then the actual form of the still unprocessed or pre-machined workpiece 14 determined and in coordinates of the reference coordinate system.
  • Step S3 is queried whether the actual value at the machining partial surface of the workpiece 14 already with the SHOULD value match or not. If it does asked in a step S4 whether all partial areas already exist edited or not. If so, it is Processing finished. Are not all partial areas processed, the transition to next partial area and the processing starts again at Step S2.
  • Step S6 branches in which, based on the comparison of TARGET and ACTUAL data, based on external entries about the machining material, etc. the machining parameters for the Laser 2 and the strategy of machining is determined.
  • step S7 the laser processing of the respective partial area corresponding to that in step S6 determined parameters executed. Then it will go back branches to step S2.
  • Fig. 5 shows schematically a molding tool 30, which consists of two complementary parts 32 and 33.
  • the two parts 32 and 33 can be put together and then by them enclosed cavity is then complemented by two Partial sealing surfaces 34 and 36 sealed.
  • the Partial sealing surfaces 34 and 36 can have almost any shape be.
  • Fig. 6 shows a flow chart for explaining the manufacture the sealing surfaces 34 and 36 with the method according to of the present invention.
  • a step S1 first the target shape of only one of the two partial sealing surfaces, for example the partial sealing surface 34, fixed. Then the processing takes place according to the Steps S2 to S7 according to Fig. 4. Is the first partial sealing surface 34 completely processed, so in one Step S8 is the current form of processing after processing first partial sealing surface 34 as a target shape for the second Partial sealing surface 36 fixed. Processing the second Partial sealing surface 36 is then again analogous to that Steps S2 to S7 according to FIG. 4.
  • FIG. 7 schematically shows a section through a part of the parts 32 and 33 of the molding tool 30 or a section through a part of the part sealing surfaces 34 and 36, areas 38 and 39 being shown enlarged.
  • the two parts 32 and 33 more precisely their partial sealing surfaces 34 and 36, are arranged at a distance D from one another. Due to the roughness of the pre-machined partial sealing surfaces 34 and 36, the actual distance D i (actual distance) varies between opposing surface elements of the partial sealing surfaces 34 and 36.
  • the two mold parts 32 and 33 are spatially fixed at a fixed distance from one another and the actual distance D i between opposing surface elements of the partial sealing surfaces 34 and 36 is measured.
  • FIG. 8 shows the material removal A caused by the laser beam 5 in ⁇ m as a function of the laser fluence (power density times irradiation time) in J / cm 2 .
  • the result is a curve in the form of an elongated S with a flat curve in the area of low laser fluence, reference numeral 40, and in the area of high laser fluence, reference numeral 42, and a steep curve in the area of medium laser fluence, reference numeral 41.
  • Those indicated in FIG. 8 Values apply to a copper vapor laser system as is known from DE-OS 44 12 443 and to which reference is made in full here.
  • the region 40 or region 41 ends at approximately 1 J / cm 2 and the end of region 41 or the beginning of region 42 is approximately 250 J / cm 2 .
  • the aluminum removal is in the range of 1 ⁇ m, region 40, and in region 42 with a laser fluence above 250 J / cm 2 , the aluminum removal is approximately 80 ⁇ m.
  • the laser 2 is, according to the invention, in the areas 40 and 42 operated with a flat curve, since there is little Fluence fluctuations, such as those caused by variations the distance between the laser head 3 and to be machined Area due to vibration occur, hardly affect the size of the material removal. Hence is controlled and precise shaping easier. Of the Area 40 with low laser intensity is special advantageous when laser polishing, because a laser polishing large material removal is not desired.
  • a focusing device or a Imaging optics 12 used which have a large Rayleigh length, preferably have SSge $$ 300 ⁇ m. It is known that real optical systems the focus B is not an ideal one mathematical point, but a spatial area.
  • the Rayleigh length is a measure of the variation of the Cross section of the beam in the area of the geometric Focus. The smaller the Rayleigh length, the more the real beam matches the geometric one Beam path.
  • 9a shows an optic 12 with a large Rayleigh length and 9b an optics 12 'with a small Rayleigh length. Varies in both cases the distance between imaging optics 12, 12 'and the area to be machined around the focal point B by ⁇ D, so fluctuates with a small Rayleigh length - Fig. 9b - Cross-sectional area F of the beam in the area between + ⁇ D and - ⁇ D and thus the laser intensity considerably more than with a large Rayleigh length - Fig. 9a.
  • a Laser device 2 with an imaging optics 12 with a large Rayleigh length is therefore less sensitive to Vibration fluctuations.

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Abstract

Verfahren zur Herstellung von Dichtflächen an komplementären Formwerkzeugen mittels einer Strahlbearbeitungseinrichtung sieht vor, daß eine der komlementären Teildichtflächen gemessen und als Soll-Daten gespeichert werden. Die zugehörige komplementäre Teildichtfläche wird dann so bearbeitet, daß die beiden Teildichtflächen zueinander passen. Alternativ werden die komplementären Teildichtflächen im Abstand zueinander angeordnet und der genaue Abstand einander gegenüberliegender Flächen der Teildichtflächen wird bestimmt. Dieser Abstand wird dann auf eine Soll-Form hin bzw. auf einen Soll-Abstand hin bearbeitet.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bearbeiten, insbesondere zum Polieren und Strukturieren von beliebigen 3D-Formflächen bzw. Freiformflächen mittels eines Laser und die Anwendung dieses Verfahrens zur Herstellung von komplementären Dichtflächen an komplementären Formwerkzeugen.
Aus der DE-OS 42 41 527 ist es bekannt, Laserstrahlen, insbesondere gepulste Excimer-Laser zum Glätten von Metalloberflächen zu verwenden. Durch die gepulste Beaufschlagung mit Energiedichten im Bereich von 5 × 107 Watt/cm2 wird die Oberfläche des Metalls aufgeschmolzen. Durch die Verwendung eines UV- bzw. Excimer-Lasers geschieht dies nur in den obersten Randbereichen des Metalls bis zu einer Tiefe von 1 bis 2 µm, so daß keinerlei Verformungen oder Risse entstehen und die Metalloberfläche geglättet wird.
Aus der DE-OS-42 17 530, der DE-OS-39 22 377, der EP-A-0 419 999 und der US-A-4,825,035 sind Verfahren und Vorrichtungen zum Härten von hochbeanspruchten metallischen Oberflächen, wie z. B. Kolbenlaufflächen, bekannt.
Aus der DE-OS 41 33 620 ist es bekannt, metallische Oberflächen mittels Laserstrahl zu strukturieren. Hierbei durchläuft der Laserstrahl Bahnkurven auf der Metalloberfläche, deren Form der gewünschten Strukturierung entspricht.
Aus der DE-OS 44 01 597 ist eine Laserbearbeitungs- bzw. Laserschneidvorrichtung bekannt, bei der die zu erzeugende Schnittform in Form von CAD-Daten eingegeben werden kann.
Aus der DE-OS 41 06 008 ist ein automatischer Schweißroboter bekannt, bei dem die Qualität der Schweißnähte online über optische Überwachung der Schweißnähte bzw. der Schweißspritzer überwacht wird.
Aus der DE-OS-37 11 470 ist ein Verfahren zum Herstellen eins dreidimensionalen Modells bekannt, das aus einer Vielzahl von Scheiben zusammengesetzt ist, die die Modellkonturen aufweisen und aus Plattenwerkstoff durch materialabtragende Bearbeitung mittels Laser hergestellt werden. Hierbei wird an einer bestimmten Stelle solange Material abgetragen, bis der SOLL-Wert erreicht ist.
Aus der DE-OS-42 19 809 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum kontrollierten Abtragen von Schichten von einer Oberfläche mittels Laser bekannt. Um die Steuerung bzw. Regelung der Abtragung zu vereinfachen wird gewährleistet, daß aufeinanderfolgend bearbeitete Teilflächen immer eine konstante Fläche aufweisen.
Die aus dem Stand der Technik bekannten Strahl- bzw. Laserbearbeitungsverfahren und -vorrichtungen weisen den Nachteil auf, daß im wesentlichen nur im voraus bekannte Formen damit bearbeitet werden können. Ein großtechnischer Einsatz und das Bearbeiten von beliebigen, kompliziert geformten 3D-Formflächen ist damit jedoch nicht möglich.
Aus der US-A-4,986,664 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum kontrollierten Materialabtrag. Hierbei wird die zu bearbeitende Oberfläche unmittelbar vor der Bearbeitung vermessen und auf der Basis dieser Meßdaten werden geeignete Bearbeitungsparameter gewählt.
Aus der JP-A-63101092 ist eine Vorrichtung zum Bearbeiten von 3D-Formflächen bekannt, bei der die zu bearbeitenden Fläche unmittelbar vor der Bearbeitung vermessen wird. Anhand der Meßdaten und der gewünschten Form werden geeignete Bearbeitungsparameter errechnet und in eine entsprechende Materialbearbeitung umgesetzt.
Es ist Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zum Herstellen von komplementären Dichtflächen and komplementären Formwerkzeugen bereitzustellen.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des Anspruchs 1 bzw. 2.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich auf einfache Weise beliebig geformte, komplementäre Dichtflächen an komplementären Formwerkzeugen herstellen. Durch die hohe Genauigkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens wird erreicht, daß die aufeinander zu liegen kommenden komplementären Dichtflächen sehr gut zueinander passen und damit sehr gut abdichten.
Bei einer ersten Variante wird zunächst von den komplementären Teildichtflächenpaaren nur eine Hälfte bearbeitet und die nach der Bearbeitung ermittelte aktualisierte IST-Form wird als SOLL-Form für die zweite Hälfte der Teildichtflächenpaare verwendet. Dadurch werden Fehler bzw. Abweichungen der ersten Hälfte der Teildichtflächenpaare von der SOLL-Form bei der Bearbeitung der zweiten Hälfte der Teildichtflächenpaare ausgeglichen bzw. neutralisiert.
Bei einer zweiten Variante erfolgt die Bearbeitung der komplementären Teildichtflächen auf einen konstanten Abstand zwischen den komplementären Teildichtflächen hin. Damit lassen sich mit nur einem Satz von SOLL-Daten zwei benachbarte, komplementäre Dichtflächen bearbeiten bzw. herstellen.
Trägt man den durch einen Laserstrahl verursachten Materialabtrag als Funktion der Laserfluenz auf der zu bearbeitenden Fläche auf, so ergibt sich bei Konstanthaltung anderer Bearbeitungsparameter eine Kurve, die im Bereich niedriger Laserfluenz flach ansteigt, im Bereich mittlerer Laserfluenz stark ansteigt und im Bereich hoher Laserfluenz wieder flacher ansteigt. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der Laser in den Bereichen mit flachem Anstieg betrieben, da sich dort geringfügige Fluenzschwankungen kaum auf den Materialabtrag auswirken, so daß sich glatte, gleichmäßige Oberflächen ergeben.
Beim Laserpolieren von Werkstücken wird vorzugsweise der flache Bereich der Kurve bei niedriger Laserfluenz genutzt, da beim Laserpolieren kein Abtrag erwünscht ist.
Die übrigen Unteransprüche beziehen sich auf weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
Die vorliegende Anmeldung ist eine Teilanmeldung zu EP 96909025.7 (Stammanmeldung). Die in der Stammanmeldung beschrieben Vorrichtung zum Laserpolieren eignet sich besonders für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer beispielhaften Ausführungsform anhand der Zeichnung. Es zeigt:
Fig. 1
eine schematische Darstellung einer beispielhaften Vorrichtung zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
Fig. 2
ein Detail der Vorrichtung nach Fig. 1,
Fig. 3
eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Arbeitsweise der Vorrichtung nach Fig. 1 und 2,
Fig. 4
ein Flußdiagramm zur Veranschaulichung wesentlicher Teilschritte des erfinderischen Verfahrens,
Fig. 5
eine schematische Darstellung eines Formwerkzeuges mit zwei komplementären Teilen,
Fig. 6
ein Flußdiagramm zur Erläuterung einer ersten Ausführungsform des Verfahrens zur Herstellung von Dichtflächen gemäß der vorliegenden Erfindung,
Fig. 7
eine schematische Darstellung zur Erläuterung einer zweiten Ausführungsform des Verfahrens zur Herstellung von Dichtflächen,
Fig. 8
eine qualitative Darstellung des Materialabtrags als Funktion der Laserfluenz, und
Fig. 9a und 9b
Abbildungsoptiken mit großer und kleiner Rayleighlänge.
Die in Fig. 1 gezeigte beispielhafte Vorrichtung zur Durchführung der vorliegenden Erfindung umfaßt eine Lasereinrichtung 2 bestehend aus einem Laserkopf 3 und einer Laserstrahlerzeugungseinrichtung 4 mit zugehöriger Steuereinrichtung 6, durch die sich Bearbeitungsparameter, wie z. B. Pulsfrequenz, Pulsdauer, Fokkussierungsgrad, Vorschub, etc. des Arbeits- bzw. Laserstrahls 5 einstellen und steuern bzw. regeln lassen. Die Laserstrahlerzeugungseinrichtung 4 ist über ein Lichtleitkabel 7 mit dem Laserkopf 3 verbunden. Der Laserkopf 3 ist an einer Laserkopfhalterung 8 befestigt, die Teil einer XYZ-Positioniereinrichtung 10 ist. Der Laserkopf 3 umfaßt auch eine Abbildungsoptik bzw. Fokussiereinrichtung 12, durch die der aus dem Laserkopf 3 austretende Laserstrahl 5 auf der zu bearbeitenden Oberfläche eines Werkstücks 14 fokussiert wird. Auf diese Weise läßt sich der Laserkopf 3 und damit der aus dem Laserkopf 3 austretende Laserstrahl 5 in allen drei Raumrichtungen X, Y und Z bewegen und positionieren.
Mit dem Laserkopf 3 verbunden sind auch Meßsensoren 16, mittels denen sich die die Kontur der Oberfläche des zu bearbeitenden Werkstücks 14, beispielsweise durch Triangulation, unmittelbar vor dem Überstreichen des Laserstrahls 5 und unmittelbar nach dem Überstreichen des Laserstrahls 5 ermitteln läßt. Auf diese Weise wird unmittelbar während der Bearbeitung das Ergebnis der Bearbeitung mit dem Laserstrahl 5 überprüft und die Anzahl des Überstreichens der 3D-Formfläche mit dem Laserstrahl 5 kann entsprechend dem gewünschten Arbeitsergebnis optimiert werden.
Die Steuerung der gesamten Anlage erfolgt durch die Steuereinrichtung 6, durch die sowohl die Lasereinrichtung 2, bestehend aus Laserkopf 3 und Laserstrahlerzeugungseinrichtung 4, als auch die Positioniereinrichtung 10 und Meßsensoren 16 gesteuert und geregelt werden. Die Steuereinrichtung 6 bildet zusammen mit den Meßsensoren 16 eine 2D- bzw. 3D-Konturmeßeinrichtung 18. Bei der Steuereinrichtung 6 handelt es sich beispielsweise um einen Mikrocomputer mit einer Massenspeichereinrichtung. In diese Speichereinrichtung können beispielsweise CNC-Daten des zu bearbeitenden Werkstücks 14 eingespeichert werden. Mit der Konturmeßeinrichtung 18 kann damit die Soll-Ist-Abweichung erfaßt werden und die Anzahl der Bearbeitungsschritte und ebenso die Laserstrahlcharakteristiken entsprechend eingestellt werden.
Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung mit der Laserstrahlerzeugungseinrichtung 4, der Steuereinrichtung 6 und der Abbildungsoptik 12 aus der der Laserstrahl 5 austritt und auf die zu bearbeitende Oberfläche des Werkstücks 14 auftritt, das als Konturlinie 20 (IST-Form) dargestellt ist.
Strichliert ist die SOLL-Form 22 dargestellt. Die Konturmeßeinrichtung 18 ist hier in die Abbildungsoptik 12 integriert und der Arbeitsstrahl 5 wird gleichzeitig als Meßstrahl für die Konturmeßeinrichtung 18 verwendet. Durch die Steuereinrichtung 6 läßt sich mittels nicht näher dargestellter Stellantriebe der Abstand zwischen Abbildungsoptik 12 und der Werkstückoberfläche 20 variieren, was durch einen Doppelpfeil 24 angedeutet ist. Ebenfalls mit der Steuereinrichtung 6 und entsprechender Stellantriebe wird auch der Vorschub bezüglich des Werkstücks 14 bewirkt und gesteuert. Dies ist durch einen Pfeil 26 dargestellt. Wie aus Fig. 3 zu ersehen ist, wird der Übergang von der IST-Form 20 zur SOLL-Form 22 nicht notwendigerweise mit einem einmaligen Überstreichen des Laserstrahls 5 erreicht. In dem bereits überstrichenen Bereich 28 ist immer noch eine Abweichung zwischen SOLL-und IST zu sehen.
Um die Materialbearbeitung unempfindlicher gegenüber Vibrationen und zittern zu machen wird der Bearbeitungsstrahl mit einer Rayleighlänge von 300 µm und größer erzeugt. Details hierzu sind in Verbindung mit Fig. 9 erläutert.
Fig. 4 zeigt eine Flußdiagramm zur Erläuterung wesentlicher Teilschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens mit dem die Oberfläche eines Werkstücks 14 von der IST-Form in die SOLL-Form überführt wird. In einem Schritt S1 wird zunächst in einem Referenzkoordinatensystem die gewünschte SOLL-Form festgelegt. Die SOLL-Form kann beispielsweise in Form von CNC- oder CAD-Daten vorliegen. In einem Schritt S2 wird dann die IST-Form des noch unbearbeiteten oder vorbearbeiteten Werkstücks 14 ermittelt und in Koordinaten des Referenzkoordinatensystems dargestellt. In einem Schritt S3 wird abgefragt, ob der IST-Wert an der zu bearbeitenden Teilfläche des Werkstücks 14 bereits mit dem SOLL-Wert übereinstimmt oder nicht. Ist dies der Fall wird in einem Schritt S4 abgefragt, ob bereits alle Teilflächen bearbeitet sind oder nicht. Ist dies der Fall, ist die Bearbeitung beendet. Sind noch nicht alle Teilflächen bearbeitet, so erfolgt in einem Schritt S5 der Übergang zur nächsten Teilfläche und die Bearbeitung beginnt wieder bei Schritt S2.
Ergibt die Abfrage in Schritt S3 ein NEIN, so wird zu einem Schritt S6 verzweigt, in dem aufgrund des Vergleichs von SOLL- und IST-Daten, aufgrund externer Eingaben über das zu bearbeitende Material, etc. die Bearbeitungsparamer für den Laser 2 und die Strategie der Bearbeitung ermittelt wird. In einem Schritt S7 wird dann die Laserbearbeitung der jeweiligen Teilfläche entsprechend den in Schritt S6 ermittelten Parametern ausgeführt. Anschließend wird zurück zu dem Schritt S2 verzweigt.
Fig. 5 zeigt schematisch ein Formwerkzeug 30, das aus zwei komplementären Teilen 32 und 33 besteht. Die beiden Teile 32 und 33 lassen sich zusammenfügen und der von ihnen dann umschlossene Hohlraum wird dann durch zwei komplementäre Teildichtflächen 34 und 36 abgedichtet. Die Teildichtflächen 34 und 36 können nahezu beliebig geformt sein.
Fig. 6 zeigt ein Flußdiagramm zur Erläuterung der Herstellung der Dichtflächen 34 und 36 mit dem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung. In einem Schritt S1' wird zunächst die SOLL-Form von nur einer der beiden Teildichtflächen, beispielsweise der Teildichtfläche 34, festgelegt. Anschließend erfolgt die Bearbeitung gemäß den Schritten S2 bis S7 nach Fig. 4. Ist die erste Teildichtfläche 34 vollständig bearbeitet, so wird in einem Schritt S8 die nach Bearbeitung vorliegende IST-Form der ersten Teildichtfläche 34 als SOLL-Form für die zweite Teildichtfläche 36 festegelegt. Die Bearbeitung der zweiten Teildichtfläche 36 erfolgt dann wiederum analog den Schritten S2 bis S7 gemäß Fig. 4.
Fig. 7 zeigt schematisch einen Schnitt durch einen Teil der Teile 32 und 33 des Formwerkzeugs 30 bzw. einen Schnitt durch einen Teil der Teildichtflächen 34 und 36, wobei Bereiche 38 und 39 vergrößert dargestellt sind. Die beiden Teile 32 und 33, genauer deren Teildichtflächen 34 und 36 sind mit einem Abstand D voneinander entfernt angeordnet. Aufgrund der Rauhigkeit der vorbearbeiteten Teildichtflächen 34 und 36 variiert der tatsächliche Abstand Di (IST-Abstand) zwischen einander gegenüberliegenden Flächenelementen der Teildichtflächen 34 und 36. Die beiden Formwerkzeugteile 32 und 33 werden in festem Abstand zueinander räumlich fixiert und der IST-Abstand Di zwischen einander gegebüberliegenden Flächenelementen der Teildichtflächen 34 und 36 wird gemessen. Anschließend wird der SOLL-Abstand Ds festgelegt und die beiden Teildichtflächen 34 und 36 werden mit dem Laser derart bearbeitet, daß innerhalb der Toleranzen Di = Ds ist. Ist diese Bedingung erfüllt, weisen die beiden Teildichtflächen die gewünschte SOLL-Form 34' und 36' auf.
In Fig. 8 ist der durch den Laserstrahl 5 verursachte Materialabtrag A in µm als Funktion der Laserfluenz (Leistungsdichte mal Bestrahlungszeit) in J/cm2 aufgetragen. Es ergibt sich ein Kurvenverlauf in der Form eines langgezogenen S mit einem flachen Kurvenverlauf im Bereich geringer Laserfluenz, Bezugszeichen 40, und im Bereich hoher Laserfluenz, Bezugszeichen 42, und einem steilen Kurvenverlauf im Bereich mittlerer Laserfluenz, Bezugszeichen 41. Die in Fig. 8 angegebenen Werte gelten für einen Kupferdampflasersystem, wie er aus der DE-OS 44 12 443 bekannt ist und auf die hier vollinhaltlich bezug genommen wird. Für einen solchen Kupferdampflaser und Aluminium als zu bearbeitendem Material endet der Bereich 40 bzw. beginnt der Bereich 41 bei ca. 1 J/cm2 und das Ende des Bereichs 41 bzw. der Beginn des Bereichs 42 liegt bei ca. 250 J/cm2. Bis zu einer Laserfluenz von ungefähr 1 J/cm2 liegt der Aluminiumabtrag im Bereich von 1 µm, Bereich 40, und im Bereich 42 mit einer Laserfluenz über 250 J/cm2 liegt der Aluminiumabtrag bei ca. 80 µm.
Der Laser 2 wird erfindungsgemäß in den Bereichen 40 und 42 mit flachem Kurvenverlauf betrieben, da dort geringe Fluenzschwankungen, wie sie beispielsweise durch Variationen des Abstands zwischen Laserkopf 3 und zu bearbeitender Fläche aufgrund von Vibrationen auftreten, sich kaum auf die Größe des Materialabtrags auswirken. Folglich ist eine kontrollierte und genaue Formgebung einfacher. Der Bereich 40 mit niedriger Laserintensität ist insbesondere beim Laserpolieren vorteilhaft, da beim Laserpolieren ein großer Materialabtrag nicht gewünscht ist.
Eine weitere Maßnahme, um die Lasereinrichtung 2 unempfindlicher gegenüber Lage- bzw. Positionsschwankungen zu machen, wie sie bei Roboterarmen unweigerlich auftreten, wird anhand von Fig. 9a und 9b erläutert. Hierzu wird in der Lasereinrichtung 2 eine Fokussiervorrichtung bzw. eine Abbildungsoptik 12 verwendet, die eine große Rayleighlänge, vorzugsweise SSge$$ 300 µm aufweisen. Bekanntlich ist bei realen optischen Systemen der Brennpunkt B kein idealer mathematischer Punkt, sondern ein Raumbereich. Die Rayleighlänge ist ein Maß für die Variation des Querschnitts des Strahlenbündels im Bereich des geometrischen Brennpunkts. Je kleiner die Rayleighlänge ist, desto mehr stimmt das reale Strahlenbündel mit dem geometrischen Strahlengang überein.
Fig. 9a zeigt eine Optik 12 mit großer Rayleighlänge und Fig. 9b eine Optik 12' mit kleiner Rayleighlänge. Variiert in beiden Fällen der Abstand zwischen Abbildungsoptik 12, 12' und zu bearbeitender Fläche um den Brennpunkt B um ΔD, so schwankt bei kleiner Rayleighlänge - Fig. 9b - die Querschnittsfläche F des Strahlenbündels im Bereich zwischen +ΔD und -ΔD und damit die Laserintensität erheblich mehr als bei großer Rayleighlänge - Fig. 9a. Eine Lasereinrichtung 2 mit einer Abbildungsoptik 12 mit großer Rayleighlänge ist daher unempfindlicher gegenüber Vibrationsschwankungen.

Claims (11)

  1. Verfahren zur Herstellung von Dichtflächen an komplementären Formwerkzeugen mit wenigstens zwei komplementären Teildichtflächen, mit folgenden Verfahrensschritten:
    a) Festlegen der dreidimensionalen Koordinaten einer der komplementären Teildichtflächen (Soll-Daten);
    b) Abtasten wenigstens der einen komplementären Teildichtfläche mittels einer 3D-Konturmeßeinrichtung zum Bestimmen der genauen, tatsächlichen Oberflächenform dieser Teildichtflächen in einem Referenzkoordinatensystem (IST-Daten);
    c) Errechnen von Bearbeitungsparamentern für eine Strahlbearbeitungseinrichtung zum Abtragen von Materialschichten aufgrund der ermittelten SOLL-Daten und aufgrund der durch die 3D-Konturmeßeinrichtung ermittelten IST-Daten;
    d) Bearbeiten der einen komplementären Teildichtfläche mit der Strahlbearbeitungseinrichtung auf der Basis der in Schritt c) ermittelten Bearbeitungsparameter;
    e) erneutes Abtasten der in Schritt d) bearbeiteten Teildichtfläche mittels der 3D-Konturmeßeinrichtung zum Bestimmen der nunmehr nach der Bearbeitung vorliegenden Oberflächenform der Teildichtflächen (aktualisierte IST-Daten);
    f) gegebenenfalls Wiederholung der Schritte b) bis e) bis die Abweichung der SOLL-Daten von den IST-Daten innerhalb eines bestimmten Toleranzbereiches liegt; und
    g) Festlegen der zuletzt in Schritt e) ermittelten Oberflächenform der einen bereits bearbeiteten komplementären Teildichtfläche als SOLL-Form für die andere komplementäre Teildichtfläche; und
    h) Bearbeiten der anderen komplementären Teildichtfläche gemäß den Schritten c) bis f).
  2. Verfahren zur Herstellung von Dichtflächen an komplementären Formwerkzeugen mit wenigstens zwei komplementären Teildichtflächen, mit folgenden Verfahrensschritten:
    a) Anordnen der komplementären Formwerkzeuge derart, daß der Abstand einander entsprechender Flächenabschnitte der Teildichtflächen innerhalb eines ersten Toleranzbereichs liegt;
    b) Bestimmen des genauen Abstands einander entsprechender Flächenabschnitte der Teildichtflächen mittels einer 3D-Konturmeßeinrichtung (IST-Daten);
    c) Festlegen eines SOLL-Abstandes (SOLL-Daten), der mindestens so groß wie der größte IST-Abstand ist;
    d) Errechnen von Bearbeitungsparamentern für eine Strahlbearbeitungseinrichtung zum Abtragen von Materialschichten aufgrund der ermittelten SOLL-Daten und aufgrund der durch die 3D-Konturmeßeinrichtung ermittelten IST-Daten;
    e) Bearbeiten wenigstens einer der komplementären Teildichtflächen mit der Strahlbearbeitungseinrichtung auf der Basis der in Schritt d) ermittelten Bearbeitungsparameter;
    f) erneutes Bestimmen des genauen Abstandes einander entsprechender Flächenabschnitte der Teildichtflächen mittels der 3D-Konturmeßeinrichtung (aktualisierte IST-Daten);
    g) gegebenenfalls Wiederholung der Schritte d) bis f) bis die Abweichung der SOLL-Daten von den IST-Daten innerhalb eines zweiten Toleranzbereiches liegt, der kleiner als der erste Toleranzbereich ist.
  3. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnittsfläche des auf der zu bearbeitenden Teildichtfläche auftreffenden Arbeitsstrahls die Teildichtfläche in ihrer gesamten Breite überdeckt.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Festlegung der SOLL-Daten und die erstmalige Ermittlung der IST-Daten vertauscht sind.
  5. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlbearbeitungseinrichtung in einem Bereich betrieben wird, in dem die Änderungen des Materialabtrags aufgrund von Schwankungen der Strahlintensität möglichst gering sind.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlbearbeitungseinrichtung beim Laserpolieren in einem Bereich mit geringer Laserintensität betrieben wird.
  7. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die 3D-Konturmeßeinrichtung mit Triangulation arbeitet.
  8. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlbearbeitungseinrichtung einen Laserstrahl als Arbeitsstrahl erzeugt.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlbearbeitungseinrichtung einen gepulsten Laserstrahl erzeugt.
  10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Arbeitsstrahl der Strahlbearbeitungseinrichtung als Meßstrahl der 3D-Konturmeßeinrichtung verwendet wird.
  11. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Arbeitsstrahl senkrecht zu der zu bearbeitenden Oberfläche ausgerichtet wird.
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